沈自才 歐陽曉平 高 鴻

（1 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

（2 西北核技術(shù)研究院，西安 710024）

（3 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

文 摘 隨著我國首次月球采樣返回和火星探測器“天問一號”任務的圓滿完成，我國深空探測進入了新的發(fā)展階段。本文首先對我國深空探測的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了分析，進而對深空探測面臨的極端溫度、強太陽電磁輻射、強粒子輻射、塵與塵暴、酸性大氣等環(huán)境及對深空探測任務的影響進行了梳理，進而從材料及結(jié)構(gòu)的輕量化、高效熱控制、可靠的輻射防護與抗輻射能力、提供可持續(xù)的能源、具有較強的耐腐蝕性能、具有較好抗塵與塵暴損傷性能、在軌組裝與制造等角度梳理了深空探測對航天材料與工藝的需求，最后從輕質(zhì)結(jié)構(gòu)機構(gòu)材料、高效熱控制材料、組合輻射防護及耐輻射材料、耐腐蝕材料、耐塵與塵暴材料、高可靠能源材料、3D∕4D打印技術(shù)等方面給出了深空探測材料與工藝的發(fā)展方向。

0 引言

隨著人類的科技進步和經(jīng)濟發(fā)展，世界大國尤其是航天大國紛紛進一步開展針對深空的探測活動，其重要意義在于：一是可以進一步認識宇宙奧秘，追尋生命起源；二是促進國家的經(jīng)濟、政治和軍事的進步；三是推動以新學科、新材料、新工藝、新技術(shù)等為代表的科技進步；四是激發(fā)與培養(yǎng)人類的創(chuàng)新能力，推動人類社會的可持續(xù)發(fā)展。

到目前為止，深空探測經(jīng)歷了兩次高潮：一是在1958～1976年間以美蘇空間競賽為代表的第一波深空探測活動，取得了月球無人取樣返回和阿波羅登月的偉大成就；二是1989年至今，以美國提出太空探測初步行動計劃和人類重返月球為標志，拉開了第二次月球和深空探測活動高潮的序幕，除美國、俄羅斯之外，中國、歐空局、日本、印度為代表的航天強國及航天大國，均將開展以月球探測或重返月球以及火星、金星、小行星等探測列入重點任務規(guī)劃［1-2］，并取得了小天體采樣返回和火星巡視探測的偉大成就。2018年9月，美國航空航天局（NASA）發(fā)布了《國家太空探索活動報告》，確定了美國未來載人深空探索的路線和計劃，如圖1所示［3］。2019年2月，NASA 正式發(fā)布公告號召私人企業(yè)參與到載人登月技術(shù)開發(fā)中來，包括參與登月系統(tǒng)登陸艙、太空加油系統(tǒng)和飛船的初步研究和開發(fā)，此外NASA還公布了2028年在私營企業(yè)協(xié)助下實現(xiàn)重返月球計劃的路線圖。2019年3月26日美國副總統(tǒng)彭斯表示，將在2024年之前讓美國航天員重返月球，進一步加快了載人重返月球的步伐。NASA 將在月球近直線光環(huán)軌道（NRHo）采用國際合作的方式建設LOP-G 空間站，可實現(xiàn)隨時登陸月球，在此基礎(chǔ)上開發(fā)月球資源，驗證載人登陸火星所需關(guān)鍵技術(shù)，并最終實現(xiàn)載人探索火星的目標［4］。

圖1 美國載人登月和火星探測規(guī)劃［3］Fig.1 American’s Moon to Mars Timeline［3］

2020年前后，國內(nèi)外在深空探測上取得了突破性的進展。2020年12月17日，我國“嫦娥五號”成功實現(xiàn)了月球背面軟著陸和月球取樣返回。2021年2月9日，阿聯(lián)酋的“希望號”火星探測器也開始對火星開展環(huán)繞和大氣成分探測。2021年2月18日，美國“毅力號”火星探測器在火星表面成功著陸，也是美國的第10次火星探測。2021年5月15日，我國“天問一號”火星探測器在實現(xiàn)繞火探測后又實現(xiàn)了火星表面的軟著陸并開展巡視探測，取得了深空探測又一里程碑。未來，我國將進一步開展地內(nèi)行星、地外行星、小行星等深空探測以及載人深空探測任務［5］。

然而，不同于地球軌道的太空探測和短期深空探測任務，我國未來的深空探測任務必將面臨大體積、長壽命、高可靠的要求，尤其是長周期任務必然帶來更加復雜惡劣的太空環(huán)境如長期極端溫度（高溫或低溫以及高低溫循環(huán)）環(huán)境、強輻射環(huán)境、酸性大氣環(huán)境、塵與塵暴環(huán)境等，這將對航天器及探測任務帶來更加嚴酷的空間環(huán)境影響，對深空探測器的材料和工藝帶來新的挑戰(zhàn)和新的需求［6］。

本文在對我國深空探測現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)深空環(huán)境對航天器的影響，進而分析深空探測任務對航天材料及工藝的需求。

1 我國深空探測的現(xiàn)狀及趨勢

1.1 我國深空探測的現(xiàn)狀

當前，我國的深空探測取得了突破性的進展，總體概括起來為：實現(xiàn)了月球探測“繞”、“落”、“回”三步走的偉大目標，實現(xiàn)了火星探測的軟著陸和火星表面行走，以及對小行星圖塔蒂斯的臨近飛行探測。

1.1.1 月球探測“繞”、“落”、“回”目標實現(xiàn)

我國月球探測的目標分為三個階段［7-9］，分別為：2007年實現(xiàn)繞月探測（一期工程）、2013年前后實現(xiàn)月面軟著陸探測與巡視勘察（二期工程）、2020年實現(xiàn)月面采樣返回（三期工程）。

2007年10月24日，我國深空探測首個探測器“嫦娥一號”成功發(fā)射并實現(xiàn)在200 km環(huán)月軌道上繞月飛行，圓滿實現(xiàn)我國探月一期工程的任務目標［9］。獲取了我國首幅月面圖像和120 m 分辨率全月球立體影像圖，以及月球表面14 種元素含量和物質(zhì)分布特點等大量科學探測數(shù)據(jù)。

2010年10月1日，“嫦娥二號”衛(wèi)星成功發(fā)射，并在100 km環(huán)月軌道上對全月球進行高精度立體成像和15 km 的近月軌道對“嫦娥三號”預選著陸區(qū)進行了詳查［11］。2013年12月2日，“嫦娥三號”衛(wèi)星成功發(fā)射并在13 d 后在月球西經(jīng)19.5°、北緯44.1°的虹灣區(qū)精準著陸，成功實現(xiàn)著陸器與“玉兔號”月球車分離及兩器互拍，并分別開展了月面巡視和就位探測，圓滿完成“落”月任務［12］。2018年12月8日，“嫦娥四號”衛(wèi)星成功發(fā)射，并于2019年1月3日成功著陸在月球背面預選著陸區(qū)，實現(xiàn)了著陸器與“玉兔二號”月球車分離、兩器互拍以及就位和巡視探測，任務取得圓滿成功。這標志了探月二期任務取得了圓滿成功［13］。

2020年11月24日，“嫦娥五號”衛(wèi)星成功發(fā)射，并于當年12月1日實現(xiàn)月球正面預選區(qū)著陸；12月2日，完成了月球鉆取采樣和封裝，以及月面采樣和封裝；12月17日，“嫦娥五號”返回器順利返回地球。這標志著我國探測三期任務取得了圓滿成功。

1.1.2 火星“繞”、“落”、“巡”圓滿完成

深空探測一直是我國航天事業(yè)的一項重要工作方向，我國也一直持續(xù)開展相關(guān)技術(shù)攻關(guān)工作［14-15］。我國火星探測任務于2013年全面啟動論證，2016年1月正式批復立項；2020年7月23日在文昌航天發(fā)射場發(fā)射成功；2021年2月到達火星附近；2021年5月15日，“天問一號”火星探測器在實現(xiàn)繞火探測后又實現(xiàn)了火星表面的軟著陸；2021年6月11日，中國國家航天局發(fā)布了“天問一號”探測器著陸火星首批科學影像圖揭幕儀式，公布了由“祝融號”火星車拍攝的著陸點全景、火星地形地貌、“中國印跡”（圖2）和“著巡合影”等影像圖［16］。首批科學影像圖的發(fā)布，標志著我國首次火星探測任務取得圓滿成功。

圖2 我國首次火星任務“中國印跡”發(fā)布圖［16］Fig.2 Image of China’s first mission to Mars-"Chinese Imprint"［16］

“天問一號”任務實現(xiàn)了我國航天發(fā)展史上的6個首次［16］：首次實現(xiàn)地火轉(zhuǎn)移軌道探測器發(fā)射；首次實現(xiàn)行星際飛行；首次實現(xiàn)地外行星軟著陸；首次實現(xiàn)地外行星表面巡視探測；首次實現(xiàn)4億公里距離的測控通信；首次獲取第一手的火星科學數(shù)據(jù)。“天問一號”不僅在火星上首次留下中國人的印跡，而且首次成功實現(xiàn)了通過一次任務完成火星環(huán)繞、著陸和巡視三大目標，標志著我國在行星探測領(lǐng)域跨入世界先進行列。

1.1.3 小行星探測實現(xiàn)了突破進展

2011年8月，“嫦娥二號”衛(wèi)星飛抵距地1.5×109m 的日-地拉格朗日L2 點［17］，開展了環(huán)繞L2 點的空間探測；2012年12月13日，我國“嫦娥二號”探測器成功飛抵距地7.0×109m 處，實現(xiàn)了與4179 號（圖塔蒂斯）小行星的交會飛越探測［18］，首次獲得了該小行星的高分辨率光學圖像，見圖3［19］，揭示了圖塔蒂斯小行星表面的碎石分布特征，對其形成與演化具有重要科學意義。使我國成為繼美、歐之后第3個實現(xiàn)日-地L2 點和繼美、日、歐之后第4 個實現(xiàn)小行星探測的國家。

圖3 “嫦娥二號”拍攝的圖塔蒂斯小行星光學影像圖［19］Fig.3 Optical image of Tuatatis asteroid taken by"Chang′e-2"［19］

1.2 我國深空探測的發(fā)展

1.2.1 載人深空探測

隨著深空探測的推進，各國載人深空探測逐漸提上日程［20-21］。2021年6月16日，在全球空間探索大會期間，中國國家航天局和俄羅斯國家航天集團公司通過線上和線下混合方式，共同舉辦了國際月球科研站路線圖全球網(wǎng)絡論壇。在該論壇上，中、俄聯(lián)合發(fā)布了《國際月球科研站路線圖（V1.0）》和《國際月球科研站合作伙伴指南（V1.0））》［22］。國際月球科研站是指通過吸引可能的國際伙伴共同參與，在月球表面和∕或月球軌道上建設可進行月球自身探索和利用、月基觀測、基礎(chǔ)科學實驗和技術(shù)驗證等多學科多目標科研活動的長期自主運行、遠景有人參與的綜合科學實驗設施。

1.2.2 木星等行星的探測

在2021年6月12日的國家航天局舉辦新聞發(fā)布會上，我國首次火星探測任務工程總設計師張榮橋表示我國將進行火星取樣返回和木星系探測。2021年6月17日，在國務院新聞辦新聞發(fā)布會上，國家航天局副局長、探月工程副總指揮吳艷華表示我國的小行星探測、火星取樣返回、木星系探測等工程任務也將按計劃陸續(xù)實施。

1.2.3 小行星的取樣返回和彗星環(huán)繞探測

2019年4月19日，國家航天局首次發(fā)布了《小行星探測任務有效載荷和搭載項目機遇公告》［23］，表示我國的小行星探測將通過一次發(fā)射實現(xiàn)一顆近地小行星取樣返回和一顆主帶彗星繞飛探測，并且明確指出了探測目標是近地小行星2016HO3，探測任務是對這顆小行星先開展繞飛探測，隨后擇機附著于小行星表面，采集小行星樣品后返回地球附近，釋放返回艙將小行星表面樣品送回地球，相關(guān)科研人員將其回收后送往實驗室展開小行星成分及元素含量等研究。上述過程完成后，探測器經(jīng)地球、火星借力，經(jīng)歷約7年時間飛行到達小行星帶，對主帶彗星133P開展繞飛探測。

2020年7月29日，國家航天局等七部門又發(fā)布《關(guān)于開展嫦娥七號和小行星探測科普試驗載荷創(chuàng)意設計征集活動的通知》［24］，宣布了探月工程四期“嫦娥七號”任務和行星探測重大工程小行星探測任務正在啟動實施的消息，并向全國的科研單位和大學等機構(gòu)征求這些航天任務從某些方面的方案以及輔助探測計劃等，說明我國的小行星探測計劃已經(jīng)啟動，目前正處于任務籌備和探測器研制的階段。

2 深空探測環(huán)境及其對航天器的危害

深空探測任務主要是對月球及月球以外的天體及其環(huán)境的探測。因此，深空探測任務主要包括月球和除地球以外的七大行星的探測，以及小行星和太陽系邊緣的探測。與地球軌道航天器相比，深空探測任務可能會遭受更加惡劣的空間環(huán)境，并對航天器帶來嚴重的威脅［25］。

2.1 深空探測面臨的太空環(huán)境

深空環(huán)境的主要特征是充滿了高能量的混合空間輻射場包括極高真空的環(huán)境、存在著太陽連續(xù)發(fā)射的電磁輻射、爆發(fā)性的高能粒子輻射、穩(wěn)定的等離子體流（稱太陽風）和極端的溫度及溫度交變等［26］。

深空環(huán)境中存在著極端的溫度及溫度交變環(huán)境，如火星環(huán)境溫度低于-125 ℃，月球表面溫度為-183～127 ℃，而金星大氣的最高溫度則高達500 ℃，小行星海神探測器要求的工作溫度范圍從-180～100 ℃。不同星體的溫度如表1所示。

表1 不同星體的溫度Tab.1 The temperature of different stars

太陽電磁輻射是航天材料的主要威脅?；诰嚯x太陽的遠近，不同的星體獲得太陽輻射的數(shù)量存在較大差異，這就造成了不同星體表面的太陽輻照度差別巨大，如表2所示［27］。

表2 不同星球的太陽總輻照度Tab.2 The total solar irradiance of different planets

由表2可知，水星的表面太陽輻照度大約是地球軌道1AU 處太陽輻照度的6.67 倍，而冥王星受到的太陽輻照度則為地球軌道1AU 處的萬分之六。這也就造成了不同軌道位置受到的太陽電磁輻射或紫外線輻射的差別。

深空輻射環(huán)境，尤其是木星輻射環(huán)境［28］，將對木星探測任務帶來嚴重威脅，圖4 和圖5 分別是地球軌道和木星軌道的電子和質(zhì)子輻射環(huán)境的參數(shù)。

圖4 地球軌道≥1 MeV電子和≥10 MeV質(zhì)子積分通量等高線圖［28］Fig.4 Contour of the fluence of electrons larger than 1 MeV and protons larger than 10 MeV in the orbit of Earth［28］

圖5 木星軌道≥1 MeV電子和≥10 MeV質(zhì)子積分通量等高線圖［28］Fig.5 Contour of the fluence of electrons larger than 1 MeV and protons larger than 10 MeV in the orbit of Jupiter［28］

由圖4 和圖5 可知，木星軌道的質(zhì)子和電子的通量分別比地球軌道的質(zhì)子和電子通量要高一個數(shù)量級。因此，需要對深空探測器尤其是木星探測器的材料特別是外露功能材料、艙內(nèi)材料［29］和電子材料采用抗輻射加固措施，提高其抗輻射能力。

塵及塵暴是深空探測又一主要威脅。由“嫦娥五號”拍攝的圖像也顯示月面布滿了塵土，如圖6所示［30］。而火星表面也沉積了厚厚的火星塵埃，火星大氣中也充滿著塵埃，它們都是火星巖石風化的產(chǎn)物，成分主要是硅酸鹽（＞60%），還有磁鐵礦（1%）等其他成分。火星上稀薄干燥的大氣和風，可以把塵埃從火星表面揚起，從而造成塵暴。塵暴可以是局部性的，持續(xù)時間一般為幾周，區(qū)域性塵暴可以覆蓋大片區(qū)域，而全球性塵暴在火星上幾乎每年就發(fā)生一次，這種全球性的塵暴持續(xù)時間達幾個月。全球性塵暴一般在火星近日點即火星南半球為夏季時從南半球爆發(fā)，屆時，塵暴將吞沒整個星球，致使塵埃懸浮在大氣中。

圖6 “嫦娥五號”著陸器和上升器組合體著陸后全景相機環(huán)拍成像［30］Fig.6 Panoramic camera circle imaging of the"Chang′e-5"lander and ascender combination after landing［30］

此外，在不同行星上還存在特殊的大氣環(huán)境，如金星有極稠密的大氣層，表面的大氣壓約為地球的90 倍，主要成分是CO2（占97%以上）?；鹦巧系拇髿庀”。饕煞质荂O2，約占95%，表面大氣壓為750 Pa。

2.2 深空探測對航天器的影響

深空探測所面臨的極端環(huán)境包括金星、水星的極端溫度，金星的酸性大氣，月球和火星的塵與塵暴，木星和土星的強輻射，小行星及太陽系邊緣長期探測所面臨的長期輻射環(huán)境以及極端低溫環(huán)境等將對探測器材料和工藝帶來嚴峻挑戰(zhàn)，造成其功能退化甚至失效。深空環(huán)境對航天器的影響如表3所示。

表3 深空環(huán)境對航天器的影響Tab.3 The impact of deep space environment on spacecraft

3 深空探測對材料和工藝的總體要求

未來深空探測任務具有周期長、質(zhì)量大、體積大、環(huán)境惡劣、花費高等特點，尤其是載人深空探測，更將面臨與航天員衣食住行相關(guān)的一系列問題，比如基地建設、能源獲取與利用、著陸緩沖等。因此，深空探測任務對航天材料的性能和功能提出了一系列較高的需求。

3.1 材料及結(jié)構(gòu)的輕量化

基于深空探測任務的周期長、任務多、質(zhì)量大、花費高、面臨的環(huán)境惡劣等特點，在性能滿足工程任務要求的前提下，希望所采用的材料具有較輕的質(zhì)量，進而可以滿足發(fā)射運載的需求和花費較低的費用。因此，對航天器結(jié)構(gòu)材料提出了高性能、輕量化的需求。

3.2 高效的防熱與熱控制

熱控制是航天器尤其是深空探測器非常重要的一項工作，尤其是地內(nèi)行星和地外行星探測分別面臨著極端高溫和極端低溫的環(huán)境，均需要具有較好的熱防護和熱控制，包括被動防熱和主動熱控制。這就要求航天器熱控材料在深空極端環(huán)境下，仍然具有較好的防熱特性或熱控制性能。此外，還需要考慮深空再入過程中，可能面臨的極端高溫問題。

3.3 可靠的輻射防護與耐輻射能力

深空探測的輻射防護主要來自于三方面的需求：一是深空探測具有在軌周期長、累積輻射劑量大的特點；二是一些行星具有較地球更強的捕獲輻射帶，具有遠比地球軌道惡劣的輻射環(huán)境，如木星輻射帶；三是載人深空探測需要開展人的長期在軌輻射防護。因此，對長期深空探測任務，需要材料具有更好的輻射防護能力或者具有更強的耐輻射損傷能力。

3.4 提供可靠持續(xù)的能源

基于深空探測的長周期和極端的太空環(huán)境，需要能夠?qū)ι羁仗綔y器，尤其是長壽命探測器提供持續(xù)不斷的能源。不論是核能源，還是光電轉(zhuǎn)換能源，均需要開發(fā)新型高費效比能源材料，并對其能源裝置和結(jié)構(gòu)材料的在軌可靠性提出了較高的要求，以保證深空任務不因為能源不足而中斷工作。

3.5 具有較強的耐腐蝕性能

在地球的低地球軌道，原子氧具有較強的氧化性，需要對航天器外露材料的抗原子氧侵蝕性進行關(guān)注。而在深空探測任務中，有些行星軌道或星體表面具有腐蝕性氣體，如金星表面具有SO2氣體，可對航天器外露材料帶來酸性腐蝕。針對有人參與的載人深空任務，航天員的長期參與可能帶來細菌、潮濕等環(huán)境，這些環(huán)境具有一定的腐蝕性，也可以對載人深空艙內(nèi)材料帶來腐蝕。因此，要求相關(guān)任務的深空探測器外露材料具有較高的耐腐蝕性能。

3.6 具有較好的抗塵與塵暴損傷性能

除了小行星帶或微流星體之外，某些星體表面具有塵和塵暴，如月球表面具有大量的月塵、火星表面具有火星塵和塵暴，可對深空探測器外露材料和器件帶來嚴重威脅，也對深空航天員的外出行走用航天服材料帶來嚴重威脅，可以造成材料及結(jié)構(gòu)的摩擦磨損、卡死等，也可以造成關(guān)鍵光學材料或器件性能下降。因此，需要深空探測器或深空航天服的關(guān)鍵材料及其結(jié)構(gòu)具有較好的抗塵及塵暴損傷的能力。

3.7 能夠?qū)崿F(xiàn)在軌組裝和制造

由于深空探測對結(jié)構(gòu)質(zhì)量非常敏感，而且未來的深空探測器壽命長，尤其是深空基地外包絡直徑較大，可達10 m 甚至百米量級。若通過地面運載發(fā)射，則需要超大運載火箭，實現(xiàn)的難度極高，因此，需要深空基礎(chǔ)設施具有能夠在軌組裝的能力。同時，在長期的深空基地任務過程中，對某些關(guān)鍵部件需要具有在軌制造的能力。

4 深空探測對航天材料及工藝的需求

基于深空探測環(huán)境對航天器的危害和深空探測對航天材料及工藝的總體需求，需要進一步開展深空探測用航天材料和工藝的研究。

4.1 輕質(zhì)結(jié)構(gòu)機構(gòu)材料

以載人登月和月球基地建設為代表的深空探測任務和大型空間基礎(chǔ)設施的建設，要求運載器的承載能力大幅提升。為此，我國開發(fā)了以長征五號為代表的大推力運載火箭，但面對傳統(tǒng)的航天器結(jié)構(gòu)機構(gòu)，現(xiàn)有的運載能力仍難以滿足要求，或者費用太高。例如在月面發(fā)射1 kg 質(zhì)量，在地面需要4.5 kg甚至更多的質(zhì)量。因此，在基于深空的復雜惡劣環(huán)境和大尺寸的空間基礎(chǔ)設施建設，在滿足基本功能性能要求的前提下，需要大大降低深空結(jié)構(gòu)機構(gòu)的質(zhì)量。為此，可以從以下幾個角度開展工作。

4.1.1 提高合金類材料的質(zhì)量和強度

常用航天器的鋁合金、鎂合金、鈦合金等合金類材料［31-32］：一方面開發(fā)新型配比的合金材料，如新型2195 鋁鋰合金，具有高模量，可達78 GPa，質(zhì)量減輕10%～15%，結(jié)構(gòu)剛度提高15%～20%等；另一方面提高鎂合金、鈦合金等的抗拉強度和比強度等性能，研發(fā)超高強度鎂合金和鈦合金等，如將鎂合金的比強度提高大于450 MPa∕g·cm-3甚至更高。

4.1.2 研制高性能非金屬基或金屬基復合材料

研制高性能非金屬基或金屬基復合材料：一方面能夠獲得高比模量、比強度等力學性能；另一方面也能提高其導熱性能以及溫度環(huán)境適用性，并兼顧低密度、可加工性等性能。例如，氮化硼陶瓷基復合材料既有良好的強度，又具有很高的防熱性能［33］。我國空間站“天和”核心艙電推進系統(tǒng)中的霍爾推力器腔體采用的氮化硼陶瓷基復合材料，該材料具備低密度、高強度、抗熱震、耐濺射、易加工、絕緣性能好等優(yōu)點，滿足了推力器對陶瓷腔體材料的要求?！疤靻栆惶枴被鹦翘綔y器上也將新型的SiC 增強鋁基復合材料用于構(gòu)件研制中，實現(xiàn)了質(zhì)量輕、強度高、剛性好、寬溫度范圍下尺寸穩(wěn)定的要求。

4.1.3 結(jié)構(gòu)功能一體化設計

針對航天器結(jié)構(gòu)，尤其是復雜結(jié)構(gòu)，盡可能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的一體化設計，減少聯(lián)接部分和部件，進而達到減少質(zhì)量、增加強度的目的。實現(xiàn)質(zhì)量和部件數(shù)量雙雙減少30%以上等。針對深空探測器結(jié)構(gòu)大底進行防熱承力一體化設計［34］，以C∕C-SiC 復合材料作為防熱層，以梯度隔熱材料為隔熱層，采用耐高溫非金屬螺釘機械連接輔以膠接的方式組合各部件，在滿足強度要求和溫度要求的前提下，質(zhì)量較傳統(tǒng)熱防護系統(tǒng)方案減小約34%。

4.1.4 采用柔性展開式結(jié)構(gòu)

對深空探測器或大型深空基礎(chǔ)設施，可以考慮多采用柔性展開式結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)功能，如采用大型柔性太陽電池陣、柔性展開式月球基地模塊等，可以達到質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)大等目標，火星漫步者充氣太陽電池陣［35］收攏狀態(tài)下體積非常小，而展開后則可以獲得大面積的太陽陣，如圖7所示。但要求其在軌展開性能、抗輻射能力、結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定性和可加工性等應該滿足要求?！疤靻栆惶枴碧綔y器搭載了“基于形狀記憶聚合物智能復合材料結(jié)構(gòu)的可展開柔性太陽能電池系統(tǒng)”，包括形狀記憶復合材料鎖緊釋放機構(gòu)、形狀記憶聚合物復合材料可展開梁和柔性太陽能薄膜電池?！疤旌汀焙诵呐撘膊捎昧舜竺娣e可展收柔性太陽電池翼，這為下一步深空探測用柔性展開結(jié)構(gòu)奠定了可靠的實踐保障。

圖7 火星漫步者充氣太陽能電池陣［35］Fig.7 Mars rover inflatable solar array［35］

4.2 高效熱控制材料

高效的熱控制材料包括被動熱防護材料和主動熱控制材料是深空探測任務中的關(guān)鍵材料［36-37］。

4.2.1 被動熱控制材料

被動熱防護材料主要為各類熱控涂層，如漆類熱控材料、玻璃基熱控材料、薄膜基熱控材料、陽極氧化熱控材料和再入熱燒蝕材料等。從密度分類，則可以分為低密度防熱（燒蝕）材料、中密度防熱材料等。針對深空探測任務，要求其能夠?qū)崿F(xiàn)在極端低溫和極端高溫下具有合適的太陽吸收比和熱發(fā)射率，同時具有良好的空間環(huán)境適應性。我國在低密度燒蝕防熱材料［38］如蜂窩增強低密度材料、新型防隔熱一體化材料、輕質(zhì)燒蝕材料等先進防熱復合材料研制方面，取得了突破性進展，并成功應用在以月地高速再入返回飛行器、“嫦娥五號”月球探測器為代表的深空探測任務中［39］。

比如，針對月球返回軌道高熱流峰值、高焓值、高氣動剪切、長時加熱、跳躍式彈道的二次燒蝕等復雜熱環(huán)境，航天材料及工藝研究所開發(fā)出蜂窩增強FG4、FG5、FG7 和HC5 材料，分別用在不同熱流環(huán)境區(qū)域，如圖8所示［40］。

圖8 月球軌道返回器LAC分布及HC5燒蝕后橫截面［40］Fig.8 Distribution of LAC in lunar orbiter and the cross section of HC5 after ablating［40］

其中，蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料密度約為0.36 g∕cm3，可承受1.5 MW∕m2的熱流環(huán)境，可耐受火星大氣以CO2為主的特殊氣氛氣動加熱。針對火星探測，“天問一號”使用了三元長纖維組成的SPQ 纖維布增強體系，并將輕質(zhì)填料引入到連續(xù)纖維增強的預浸料中，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)連續(xù)纖維增強燒蝕防熱材料的輕質(zhì)化，密度約為0.9 g∕cm3，兼顧了耐燒蝕和承載能力。

值得關(guān)注的是，氣凝膠熱控材料在我國深空探測任務中取得了重要的應用。據(jù)文獻［41］報道，“天問一號”工程任務一共使用了兩種氣凝膠材料：一是著陸發(fā)動機周圍的隔熱組件，可將溫度超過1 000 ℃的發(fā)動機熱流有效控制到可接受范圍；二是火星車表面的氣凝膠保溫板，可以保證火星車在-130 ℃的環(huán)境正常工作。這兩種氣凝膠不但隔熱效果好，而且其密度只有大約15 mg∕cm3，是同等體積下鋼的1∕500、鋁的1∕180、水的1∕60。

未來，面向深空探測的發(fā)展需求和結(jié)構(gòu)機構(gòu)輕量化的要求，被動防熱材料的輕質(zhì)化、功能多樣化、集成化是發(fā)展的重要方向。

4.2.2 主動熱控制材料

主動熱控制材料主要包括熱管材料、智能熱控材料、主動燒蝕冷卻材料等?；谙嘧兒兔氉饔玫母咝峁懿牧显谖覈教炱髋搩?nèi)有著大量的應用，但針對未來的大型深空航天器和極端溫度環(huán)境，如何實現(xiàn)高效熱控制，是未來熱管技術(shù)的發(fā)展方向。如在“嫦娥五號”著陸上升組合體的研制過程中，通過采用“泵驅(qū)小型單相流體回路熱總線+水升華器”的設計方案［42］，將組合體大部分艙內(nèi)設備熱耗耦合至泵驅(qū)小型單相流體回路熱總線上，著陸器輔助散熱面+上升器主散熱面為主散熱通道，再結(jié)合水升華器輔助熱沉，共同完成組合體的熱收集、熱傳輸與熱排散功能。通過試驗驗證表明，設備最高溫度也不超過45 ℃。

同時，作為具有智能特性的各類智能熱控材料與器件，通過基于電致變色、熱致變色或者熱開關(guān)（圖9），實現(xiàn)熱的自動調(diào)節(jié)是未來的重點發(fā)展方向［43-45］，但是距離工程應用還有很大差距。因此，如何實現(xiàn)智能熱控材料與器件的工程化應用，如何通過改進工藝技術(shù)，提高其在軌的空間環(huán)境適應性是重要的研究方向。

圖9 靜電開關(guān)輻射器（ESR）結(jié)構(gòu)與工作原理圖［44］Fig.9 Principle of electrostatic switchable radiator（ESR）［44］

而基于不同原理的主動降溫冷卻技術(shù)在未來的深空探測器再入過程中有望發(fā)揮重要作用［46-47］，但采用材料的種類和主動冷卻結(jié)構(gòu)的加工工藝是進一步發(fā)展的方向，如圖10所示。

圖10 主動冷卻熱防護方法［46］Fig.10 Active cooling thermal protection method［46］

4.3 組合輻射防護及耐輻射材料

深空探測過程中，由于失去了地磁場的防護，航天器將直接暴露于太陽宇宙射線或銀河宇宙射線的輻射環(huán)境下，尤其是存在星體輻射帶的深空探測任務如木星探測，其輻射環(huán)境比較惡劣。因此，需要從兩個方面開展抗輻射材料及輻射防護材料的研究工作。

4.3.1 耐輻射材料

深空探測器材料，尤其是光學類材料，在深空輻射環(huán)境下，將發(fā)生電離損傷和位移損傷，造成其光學性能和光電性能退化，如玻璃窗口的透過率降低、成像模糊等，嚴重影響深空探測任務的執(zhí)行。為此，需要從材料研制的角度，加強材料的組分設計和工藝研究，提高材料的抗輻射能力。

4.3.2 輻射防護材料

深空探測器在軌期間將遭受來自于太陽宇宙射線、銀河宇宙射線和星體表面輻射如反射中子等的持續(xù)不斷的輻射，不但引起航天器材料的損傷，也引起航天器內(nèi)部電子電路和航天員的輻射損傷。為此，需要加強敏感電子電路和航天員的輻射防護。眾所周知，利用質(zhì)量屏蔽是防護高能粒子的有效手段，但達到一定屏蔽質(zhì)量以后，由于次級輻射的存在，輻射防護效率大大降低。因此，一方面，可以通過多種材料復合來提高單位面密度材料的防護性能；另一方面，可以通過高原子序數(shù)和低原子序數(shù)材料的組合來實現(xiàn)對高能帶電粒子和不帶電中子的組合防護［48］。但如何通過材料的成分設計和工藝設計來實現(xiàn)單位面密度下的更高效的輻射防護是未來重要的研究方向［49］。當然，也可以通過電場、磁場或電磁場的組合來實現(xiàn)帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，達到輻射防護的目的，但同樣需要對擬采用的電磁材料進行設計和研究［50］。

4.4 耐腐蝕材料

深空探測任務中的腐蝕主要來自于行星的腐蝕性氣體和有人參與的酸性腐蝕兩個方面。

4.4.1 行星表面或軌道的腐蝕性氣體

有些行星表面或軌道上存在腐蝕性氣體，如金星的SO2氣體［51］，這些腐蝕性氣體可對航天器外露材料或器件產(chǎn)生化學反應，造成其材料腐蝕，性能下降甚至失效。據(jù)文獻［52］報道，NASA 目前正在載人金星任務研究，名為“高空金星運行概念”（HAVOC），計劃利用飛艇進行探測。該任務并不是讓人類登陸不適宜居住的行星表面，而是利用金星稠密的大氣層作為探索基地。但是，金星大氣層中含有硫酸，形成了由硫酸液滴組成的薄霧，而且，還有飛往金星過程中的輻射，以及再入過程中的高溫等，都會對材料帶來嚴重影響，需要開展充分的腐蝕與輻射的防護技術(shù)研究。

4.4.2 有人參與的酸性腐蝕

在有人參與的深空任務執(zhí)行過程中，尤其是在航天員生活的區(qū)域，由于存在水汽、合適的溫度以及氧氣等，可能造成大量的細菌繁殖。這些細菌繁殖過程中的排泄物可以造成航天員生活艙內(nèi)的金屬板、水管等發(fā)生腐蝕［53］。為此，如何開展航天員生活艙等的抗細菌材料的研制和耐腐蝕材料的研制是未來載人深空探測任務的重要方向。

俄羅斯專家曾研究了俄羅斯1986-2000 載人航天中微生物的污染問題［54］，探討了微生物對空間站設備上銅線、鈦及橡膠的侵蝕情況，俄羅斯空間站煙感探測器真菌生長嚴重（圖11），纖維板也受到霉菌侵蝕而污染嚴重（圖12）。此外，載人深空站中的微生物在空氣或水中的繁殖與傳播，可能造成空氣或者水循環(huán)系統(tǒng)的堵塞，給深空站生命保障系統(tǒng)帶來威脅。如果空氣中的微生物進入航天員的呼吸系統(tǒng)，則還可能引發(fā)疾病。

圖11 俄羅斯空間站煙感探測器真菌生長情況［54］Fig.11 Fungal-contaminated Russian smoke detector［54］

圖12 空間站上FGB纖維板受到霉菌侵蝕污染的照片［55］Fig.12 Fabric panel in FGB potentially contamination with fungus［55］

因此，針對未來有人參與的深空探測，需要充分考慮微生物的控制以及艙內(nèi)材料的抗菌抑菌的問題。

4.5 耐塵與塵暴材料

月球和火星均存在各種尺寸的塵及顆粒［56-59］，火星表面還存在塵暴。

尤其是火星，由于季節(jié)的存在和大氣的存在，經(jīng)常會出現(xiàn)各種塵暴：一方面是覆蓋在航天器的表面，引起遮擋效應；另一方面，塵在探測器表面的流動和摩擦，可以造成機械結(jié)構(gòu)的卡死、關(guān)鍵材料的摩擦磨損，使其光學性能下降［60］。

最終，塵暴中的塵埃顆粒降落回火星表面，導致航天器損傷或功能無法實現(xiàn)。勇氣號探測器在火星表面就曾被火星塵覆蓋，如圖13所示［61］。

圖13 塵埃覆蓋前后的勇氣號［61］Fig.13 Valor before and after dust cover［61］

為此，在執(zhí)行存在塵和塵暴環(huán)境的深空探測任務過程中，應該從以下方面開展耐塵與塵暴的材料研究。

4.5.1 防塵材料

防塵材料主要包括各類防塵的密封材料，即在微小塵埃環(huán)境中，盡量避免塵埃顆粒進入結(jié)構(gòu)機構(gòu)中。

4.5.2 抗摩擦材料

抗摩擦材料包括耐摩擦潤滑材料，即各類機構(gòu)結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)部位的潤滑材料應具有耐塵埃摩擦的能力。其次，對表面材料如太陽電池陣，如何減少由于塵暴沖擊而造成光學性能的降低是重要的工作方向。

4.5.3 抗粘附材料

抗粘附材料主要從航天員和航天器兩個維度來考慮：一方面，航天員出艙行走過程中，各類細小的塵可能在航天服的各個位置粘附，有些甚至滲透進入航天服內(nèi)部，從而對航天員帶來嚴重威脅；另一方面，航天器材料的抗粘附即航天器外露材料具有自潔凈特性，一是塵埃顆粒不容易在航天器表面粘附，二是航天器表面材料可以通過自身特性或者工藝手段使表面覆蓋的塵粒去除。

4.6 高可靠能源材料

深空探測任務，尤其是長壽命、多載荷和多任務，對空間能源帶來了新的需求，在相同的質(zhì)量下，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能源供應，是深空探測任務的迫切需要。不論是高性能太陽電池，還是新型先進的核能源，都需要開發(fā)出新型高費效比的能源新材料。

4.6.1 新型太陽能電池材料與工藝

現(xiàn)有的太陽能電池主要是三結(jié)或多結(jié)砷化鎵太陽電池，未來，開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)單位質(zhì)量發(fā)電效率更高的太陽電池，如柔性薄膜太陽能電池等新型電池，或者利用新的工藝技術(shù)，提高已有太陽能電池的發(fā)電效率，均是深空探測的發(fā)展方向［62］。美國空軍實驗室（AFRL）研制的The Roll-Out Solar Array（ROSA）薄膜太陽電池陣，見圖14［63］，已經(jīng)成功應用于國際空間站，并實現(xiàn)了15 kW 的發(fā)電功率。在未來深空探測任務中，如何通過太陽電池的材料和工藝改進，實現(xiàn)更高的發(fā)電效率和更好的空間環(huán)境適應性，是重要的發(fā)展方向。

圖14 ROSA 薄膜太陽電池陣地面展開狀態(tài)［63］Fig.14 Ground deployment state of ROSA thin film solar array［63］

4.6.2 新興核能源材料及工藝

隨著未來深空探測的推進，小型的核能源越來越受到重視。在開發(fā)空間用小型核能源的過程中，從核能源材料、核能防護材料、核能結(jié)構(gòu)材料等不同的維度，均需要從材料本身和加工工藝兩個方面加強工程應用研究［64］。比如，利用放射性同位素溫差發(fā)電器直接將放射性同位素的衰變熱轉(zhuǎn)化為電能，則需要對238Pu 的制備生產(chǎn)能力和熱源封裝工藝等核心技術(shù)開展研究［65］；基于空間熱離子能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的熱離子反應堆電源，則要在高強度W-Nb 單晶合金發(fā)射極材料、低功函數(shù)接收極材料的開發(fā)上做大量工作［66］。

4.7 3D/4D打印技術(shù)

深空探測任務過程中，尤其是載人深空探測任務，可能會在軌面臨新的需求。這時，如果通過地球發(fā)射任務來解決則需要更長的時間和花費。隨著3D和4D 打印技術(shù)的發(fā)展，基于在軌打印技術(shù)，來實現(xiàn)特定功能的結(jié)構(gòu)的制備是發(fā)展的重要方向。這就需要航天器材料具有可在軌制造的能力［67］。

3D打印技術(shù)，通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術(shù)，是“增材制造”技術(shù)的主要實現(xiàn)方法，聚合物、陶瓷、金屬等材料均可以用于3D 打?。?8-70］。3D 打印通過實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的制造，克服了利用傳統(tǒng)加工制備的工藝復雜、連接點多、可靠性差等缺點。目前，3D 打印技術(shù)已經(jīng)在國際空間站得到了驗證，并且成功制備應用于航天器火箭發(fā)動機噴嘴等零部件，見圖15［71］。

圖15 NASA進行3D打印火箭發(fā)動機的首次點火測試［71］Fig.15 NASA′s first ignition test of 3D printing rocket engine［71］

4D打印技術(shù)是將智能技術(shù)引入3D打印中，利用在軌激勵實現(xiàn)3D 打印結(jié)構(gòu)在軌展開，見圖16［72-73］。相較于3D 打印，4D 打印是3D 打印結(jié)構(gòu)及材料在形狀、性能和功能方面的有針對性演變，具有能夠?qū)崿F(xiàn)自組裝、多功能和自我修復的特性，有望在空間天線、深空基地建設等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

圖16 4D打印概念的示意圖［73］Fig.16 An illustration of the concept of 4D printing［73］

5 結(jié)束語

我國深空探測任務已經(jīng)取得了月球探測的“三步”走目標，實現(xiàn)了月球的取樣返回，也實現(xiàn)了“天問一號”火星探測任務的圓滿成功。未來，我國還將進一步開展載人登月任務、木星等行星探測任務以及小行星和彗星探測任務。面向未來的深空探測面臨的長周期、極端溫度、強輻射等嚴酷深空環(huán)境，需要從材料和工藝兩個角度，開展輕質(zhì)結(jié)構(gòu)機構(gòu)材料、熱控和熱防護材料、輻射防護和耐輻射材料、耐腐蝕材料、耐塵與塵暴材料、高可靠能源材料、3D∕4D打印技術(shù)等開發(fā)，為實現(xiàn)深空探測的輕量化、高效熱控制、提供可持續(xù)能源、抗輻射等提供支持。